Валерий Агеев
|
|
Согласно одному из вариантов, исходно конструкция работает как транспортное средство, то есть космический лифт, обеспечивающий собственное строительство. Иллюстрация создана с помощью нейросети Kandinskiy 3.1 |
Теоретически лифт действует следующим образом: сверхпрочный трос фиксируется одним концом на поверхности планеты, а другим – в неподвижной точке выше геостационарной орбиты (ГСО). Удерживает его центробежная сила. По тросу поднимается подъемник, который несет полезный груз.
Согласно проекту японцев, трос лифта будет изготовлен из углеродных нанотрубок, которые в 20 раз прочнее стали. Его длина составит 96 тыс. км – им можно будет дважды опоясать Землю по экватору. Лифт планируется создать уже к 2050 году. Руководство компании заявило, что планирует потратить на проект 100 млрд долл. и завершить его всего за 25 лет.
Согласно официальным данным, средняя стоимость доставки 1 кг полезного груза на орбиту сегодня достигает 40 тыс. долл. Представители Obayashi Corporation полагают, что при реализации проекта КЛ смогут снизить эту сумму до 57 долл. за 1 фунт (115 долл/кг).
Ученые также уверены, что лифт мог бы сократить время полета до Марса с 6–8 месяцев до 40 дней. Таким образом, колонизация ближнего космоса из несбыточной мечты превратилась бы в реальность.
И снова Циолковский!
Идее космического лифта уже больше 130 лет. Впервые о подъемнике такого рода заговорил русский ученый Константин Циолковский. В 1895 году, осматривая в Париже новенькую Эйфелеву башню, Циолковский задумался о том, насколько реально было бы построить башню высотой до геостационарной орбиты, чтобы доставлять по ней грузы прямо в космос.
Конструкция получалась практически неосуществимой: мало того, что ее основание на земле было бы сопоставимо по площади со всем Парижем. Но и даже самая прочная сталь не выдержала бы такой нагрузки. Деформировалась бы под собственным весом.
Говоря о «башенной» модели космического лифта, предложенной Циолковским, отметим, что сила тяготения будет противоположным образом воздействовать на секции башни, расположенные ниже и выше геостационарной орбиты: нижняя часть башни будет стремиться упасть на землю, а верхняя – улететь в космос. Поэтому для стабилизации башни расположить центр ее массы необходимо существенно выше геостационарной орбиты. Земное притяжение, воздействующее на лифт, будет наименьшим на поверхности Земли и наибольшим – на геостационарной орбите. Выше геостационарной орбиты притяжения уже практически не будет, и именно там уместно развертывать первый космопорт дальнего следования.
Тем не менее создание башни или мачты, выходящей прямо на орбиту, не противоречит законам физики, поэтому попытки создания КЛ продолжились.
В 1959 году именно советский профессор Георгий Иосифович Покровский стал автором первого опубликованного в мировой литературе реального инженерного проекта космического сооружения на Земле – пневматической башни-аэростата высотой 160 км. Она, исходя из условий прочности и устойчивости, должна была иметь рупоровидную форму, с диаметром у Земли 100 км и в космосе 390 м.
Верхняя площадка башни, выполненной из полимерного материала и заполненной водородом, могла бы нести нагрузку в 260 тыс. т. Основным назначением такой башни Покровский считал установку астрономических и астрофизических приборов за пределами атмосферы. Он также показал, что небольшое избыточное давление внутри может не только поддерживать относительно тонкие и гибкие стенки в равновесии, но и нести очень приличную нагрузку на верхней площадке столь необычного сооружения. При этом Покровский отмечал: «Если башню заполнить гелием, то в ней могли бы на большую высоту подниматься аэростаты, заполненные водородом. Это могло бы заменить различные виды лифтов».
Как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Дело в том, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, «съедают» львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона и дальше...
Сегодня в основе концепции космического лифта лежит сделанное советским инженером Юрием Арцутановым в 1960 году и развитое в дальнейшем предложение о подвесной конструкции, базирующейся на длинном тросе, закрепленном в области экватора на поверхности Земли и простирающемся за пределы геостационарной орбиты. В силу закрепления такой трос будет вращаться вместе с Землей с ее угловой скоростью, а на указанных высотах вызванная этим вращением центробежная сила больше силы притяжения Земли и может обеспечить силу, удерживающую трос в вертикальном положении.
Нетрудно понять выгоды существования такой конструкции в случае ее реализации. Такая транспортная магистраль между поверхностью Земли и ближним космосом позволила бы в огромной степени облегчить доставку грузов с Земли на орбитальные высоты и обратно и уменьшить затраты энергии на эти операции.
Преимущества космического лифта заключаются в снижении стоимости космических полетов. Благодаря использованию электрической энергии и более экономичных технологий космический лифт сможет сделать путешествия в космос доступными.
Ракеты, которые используются для отправки людей и грузов в космос, выбрасывают огромное количество углекислого газа и других вредных веществ в атмосферу. Космический лифт, с другой стороны, не создает таких выбросов, поскольку его работа будет основана на чистой электрической энергии.
Трубка в небо
Для реализации проекта КЛ ученые многих стран начали искать материалы с более низкой плотностью и очень высокой прочностью. Некоторые «изобретатели» предлагали, например, использовать… паутину (паучий шелк). Существовали даже различные экзотические проекты по добыче паутины на «паучьих фермах».
Недавно появились сообщения, что с помощью генной инженерии удалось внедрить в организм козы ген паука, кодирующий белок паутины. Теперь молоко генномодифицированной козы содержит паучий белок. Можно ли получить из этого белка материал, напоминающий паутину по своим свойствам, пока неизвестно, хотя такие разработки ведутся.
Положение с материалами для КЛ изменилось с открытием в последнем десятилетии XX века практически одномерной, трубчатой модификации углерода – углеродных нанотрубок (УНТ). Свойства их оказались удивительными.
Теоретические вычисления показали: прочность на разрыв для продольно приложенной нагрузки более чем в 60 раз превышает прочность легированной стали. С учетом того, что плотность графита примерно в 4 раза меньше плотности стали, получаем, что разрывная длина материала из УНТ примерно в 250 раз больше разрывной длины стали и составляет около 10 тыс. км. Такой материал по прочности вполне удовлетворяет сформулированным выше требованиям к тросу космического лифта. Открытие УНТ дало почву для возврата к идее КЛ.
Ученый из США Б. Эдвардс провел исследование возможностей реализации этой идеи и пришел к выводу, что при наличии производства УНТ, обладающих теоретически найденными характеристиками, создание КЛ возможно на фактически имеющейся технологической базе в течение 10 лет с затратой около 40 млрд долл. Он и другие ученые детально проработали процедуру последовательного создания конструкции КЛ.
На начальном этапе выводится на орбиту, близкую к геостационарной, и развертывается с нее легкая лента микронной толщины из УНТ и несущей способностью около 3000 ньютон. Она развертывается до поверхности Земли и закрепляется на ней. Дальнейшее развитие конструкции производится путем усиления этой ленты с помощью подъема по ней и утолщения и уширения ее новыми партиями сверхпрочного материала.
Таким образом, с самого начала конструкция работает как транспортное средство, то есть космический лифт, обеспечивающий собственное строительство. По расчетам авторов, каждые четверо суток можно будет поднимать новую партию материала и примерно через 2,5 года довести грузоподъемность системы до 20 т. После этого конструкция может использоваться в рабочем режиме для разнообразных транспортных операций в околоземном пространстве.
Собственно сама транспортировка осуществляется автономно движущейся по тросу кабиной, габариты и вместимость которой постепенно увеличиваются вместе с развитием системы. Энергия для работы лифта передается на кабину с поверхности Земли лазерным лучом. Для подъема 20-тонной кабины, предполагается, понадобится мощность 2,4 МВт.
Космическое лифтостроение
Космический лифт можно строить и на других планетах. Причем чем меньше сила тяжести на планете и чем быстрее она вращается, тем легче осуществить строительство.
На Марсе построить космический лифт можно даже с помощью существующих материалов. Однако помехой могут стать спутники Красной планеты – Фобос и Деймос (Фобос находится ниже, а Деймос несколько выше стационарной орбиты). Теоретически можно использовать один из этих спутников в качестве противовеса, однако изменение орбиты таких тяжелых объектов потребует огромных затрат энергии.
На Луне стационарной орбиты нет, однако для строительства лифта можно использовать точки Лагранжа L1 и L2, по-другому называемые точками либрации (точки в системе из двух массивных тел, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой, не испытывающее воздействия никаких других сил, кроме гравитационных со стороны двух первых тел, может оставаться неподвижным относительно этих тел). При этом основание лифта должно находиться в центре видимой или обратной стороны Луны соответственно.
Практическое применение точек Лагранжа имеет большое значение в астрономии и космических исследованиях. Эти особым образом расположенные точки в системе двух гравитационно связанных тел позволяют размещать искусственные спутники и космические аппараты с минимальными затратами на топливо.
К примеру, точка Лагранжа L1 используется для размещения обзорных спутников, которые могут непрерывно наблюдать определенную область Земли. Точка Лагранжа L2 может быть использована для размещения телескопов или других орбитальных объектов, которые требуют постоянной видимости отдаленных объектов Вселенной.
На Венере и Меркурии сооружение лифта невозможно из-за их крайне медленного вращения (теоретический радиус стационарной орбиты намного превышает их сферу тяготения).
Принятая в концепции Эдвардса (да и практически во всех других серьезных предложениях) схема – транспортировка грузов вдоль троса осуществляется с помощью кабин, движущихся по этому же тросу. Такая схема требует обеспечения прочного механического контакта между тросом и подъемной кабиной. При этом трос выполняет функцию не только главного несущего элемента всей системы, но и роль опорной среды для движения кабины.
Это обстоятельство, во-первых, приводит к тому, что возникающие при неравномерности движения кабины динамические нагрузки непосредственно передаются на трос, и без того работающий почти на пределе прочности; во-вторых, механический контакт между тросом и кабиной в любом случае приводит к повышенному износу и истиранию тонкой ленты троса.
Указанные два обстоятельства могут значительно снизить надежность и уменьшить срок жизни конструкции, ухудшив тем ее эксплуатационные характеристики. Кроме того, рассматриваемая конструкция, в которой в единственном тросе совмещены несущая и опорная функции, практически исключает возможность организации двустороннего движения, что сильно ограничивает транспортные возможности КЛ Эдвардса.
Встречающиеся иногда предложения создания КЛ с двумя тросами трудно реализуемы. Ведь практически невозможно создать систему, включающую два сверхдлинных (десятки тысяч километров) троса, с одной стороны, сохраняющую целостность, с другой – исключающую возможность столкновения и спутывания тросов.
Наконец, нагрузка несущего троса дополнительно опорной функцией приводит к большой проблеме обеспечения тепловой безопасности троса. Будет выделяться большое количество тепла как на активной фазе движения (движение за счет работы двигателей на участках, где потенциальная энергия подъемников увеличивается), так и на пассивной фазе с уменьшающейся потенциальной энергией подъемников.
Большие возражения вызывает принятая концепция беспроводного энергоснабжения КЛ. Разумеется, это серьезная проблема, и современные проводники электричества вряд ли подойдут, чтобы осуществить целенаправленную передачу энергии по проводам, а солнечные батареи пока еще не настолько совершенны, чтобы обеспечить энергоснабжение в нужном объеме.
Но, разумеется, техника совершенствуется, и ко времени, когда создание КЛ станет реальностью, параметры этих устройств могут достичь требуемых величин. Главный недостаток беспроводного энергоснабжения конструкции с поверхности Земли состоит в том, что такая система является, по существу, односторонней: если на подвижной кабине можно, с определенными трудностями, разместить устройства для приема лазерного или микроволнового излучения, то передать оттуда заметное количество энергии по лучу – задача существенно более сложная.
Поэтому при беспроводном способе передачи энергии практически невозможно обеспечить ни перераспределение энергии в пределах лифта (на сотни и тысячи километров), ни передать возможный избыток энергии на Землю. Это означает фактически невозможность рекуперации энергии, то есть использования высвобождающейся на пассивных участках движения кабин энергии, что составляет значительную долю экономии энергии за счет КЛ и в большой степени лишает его этого преимущества.
Разумеется, создание такого сооружения представляет собой техническую задачу гигантской сложности. Прежде всего, конечно, решение ее невозможно без разработки и освоения производства сверхпрочного волокна с разрывной длиной порядка 3000 км в промышленных масштабах. Хотя работы в этом направлении ведутся в ряде стран, достигнутые успехи пока не оправдали надежд. Есть отдельные сообщения о получении – с довольно большими трудностями – выровненных пучков волокон примерно метровой длины.
Крюк вместо лифта
Космический лифт – не единственный проект, который использует тросы для вывода спутников на орбиту. Один из таких проектов – «Orbital Skyhook» («Орбитальный крюк»). Skyhook использует не очень длинный, в сравнении с космическим лифтом, трос, который находится на околоземной орбите и быстро вращается вокруг своей средней части.
За счет этого один конец троса движется относительно Земли со сравнительно невысокой скоростью, и на него можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолетов. Конструкция Skyhook работает как гигантский маховик – накопитель вращательного момента и кинетической энергии. Достоинством проекта Skyhook является ее реализуемость уже при существующих технологиях. Недостаток – на запуск спутников Skyhook расходует энергию своего движения, и эту энергию будет необходимо как-то восполнять.
Проект «Stratosphere Network of Skyscrapers» («Стратосферная сеть небоскребов») представляет собой сеть орбитальных лифтов, объединенных в шестигранники, покрывающие всю планету. При переходе на следующие этапы строительства опоры убираются, а каркас сети лифтов используется для постройки на нем стратосферного поселения. Проект предусматривает несколько сфер обитания.
Кроме того, сооружение должно выдерживать любые вызовы природы. Лифт должен выдерживать сильные землетрясения, ураганы и иметь модульную конструкцию. Ремонтные бригады должны быстро реагировать на поломки, а замена нескольких частей несущей конструкции не оказывать никакого влияния на ее устойчивость.
Что случится, если порвется лента? Большая ее часть улетит в космическое пространство, причем некоторая ее часть сгорит от высокой скорости полета в атмосфере. Нижняя часть ленты упадет в земной океан. Не загрязнит ли лента и ее несгоревшие в атмосфере остатки океан? Вряд ли, так как вес километра ленты – 7,5 кг. При падении с высоты лента не разовьет большей скорости, чем раскрытая падающая газета.
Посторонний наблюдатель увидит скорее всего только яркую полоску через все небо от сгоревшей ленты. Конечно, куски ленты будут долго находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Наибольшую опасность представляют собой транспортируемые грузы, потерявшие связь с лифтом. Грузы, достигшие орбит, останутся на орбитах. Те грузы, которые только начали движение, упадут вниз. Некоторые из грузов, достигшие скорости 11 км/с, вылетят в открытый космос. В общем, хорошего мало.
Современный рынок запуска грузов недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены запуска должно привести к расширению рынка. Пока еще нет ответа на вопрос, вернет ли космический лифт вложенные в него интеллектуальные и материальные затраты, или лучше будет направить их в дальнейшее развитие ракетной техники. Однако лифт может быть гибридным проектом и помимо функции доставки груза на орбиту оставаться базой для других научно-исследовательских и коммерческих программ, не связанных с транспортом.
Эксперты во всем мире пока сомневаются в том, что проект космического лифта удастся реализовать. Человечеству нужен технологический прорыв во многих отраслях. Добиться этого силами одной страны невозможно – значит требуется кооперация и заинтересованность многих стран.
Разумеется, даже когда все научные и технологические проблемы будут решены, остается колоссальная проблема организации и финансирования самого строительства. Оно может потребовать не только огромных материальных и финансовых ресурсов, но и занять очень большое время, исчисляемое десятилетиями. Поэтому разумным путем достижения конечной цели может быть подход последовательного продвижения к ней в рамках общей стратегии космических исследований при наличии общего понимания величия решаемой задачи и организации широкого международного взаимодействия.
